公路软土路基加固及沉降分析

黄晓

摘 要：为了提高软土地区公路工程建设水平，首先总结了软土路基常见加固措施的特点及作用机理，随后以国道G205线蕉岭县文福至新铺段改建工程为研究对象，利用有限元软件PLAXI8.0分析了软土路基在水泥搅拌桩处治前后的沉降规律，并探讨了桩间距、桩长、填土压实度等参数对软土路基沉降的影响规律，为类似的软土路基处治提供理论指导。

关键词：公路;软基;沉降规律;加固措施

0 引言

随着基础交通设施的投资力度不断加大，公路工程建设步伐日益加快，同时我国幅员辽阔，地质环境复杂，公路在建设期间可能会遇到淤泥、淤泥质土等软弱土层。软土具有含水量高、压缩系数大、承载力小等特点。近年来，国内外学者及工程师也通过现场监测、数值模拟等方法分析公路软土路基加固方法及变形规律，如邹建洲[1]依托某高速公路，分析了软土路基的施工方法，并开展现场沉降监测试验，得到不同监测点的沉降规律;吕高航等[2]以某软土路基为研究对象，研究了CFG桩和水泥搅拌桩对软土路基的加固效果，并分析了填土高度和填土速率对软土路基沉降的影响规律。因此，研究公路软土路基加固及沉降规律具有十分重要的工程意义。

1 公路软土路基常见加固措施

相对于碎石、砂砾土等优质路基填料而言，软土具有承载力低、含水率高、流变性明显特点，属于不良地质的范畴，不宜在软土地基上直接填筑路基或将软土作为路基填料。在软土地基上填筑路基之前，应先对软土地基进行处理[3]。

1.1 换填法

换填法在软土地基处理中的应用范围最广，是将地基中的软土挖除，再分层回填压实强度高、颗粒级配良好、透水性好的砂石料作为路基持力层，如图1所示：

换填法施工方法简单，造价低，适用于软土深度不超过3 m的地基处理。经过换填法处治的软土地基物理力学性能明显提高，主要体现在以下两个方面[3]：一方面，地基沉降量降低。换填后软土地基密实度高，能够更好的扩散作用在土基上的应力，从而降低路基沉降变形;另一方面，加快地基排水固结。砂石料孔隙大、透水性好，土层间孔隙水压力容易消散，排水固结速度快。

1.2 注浆法

注浆法就是将能固化浆液通过注浆孔注入软土地基中，并通过挤压周围土体来改善软土的强度指标，提高其承载能力和施工质量。常用的注浆材料有水泥浆、硅化液、碱液等，注浆液的具体用量Q计算可参考下式：

式中：—待处理软土的体积，m3;—软土孔隙率，%;—注浆液的相对密度，无量纲;—孔隙填充系数，与土体性质有关，一般取0.6～0.8。

1.3 强夯法

强夯法又称动力固结法，是通过起重装置将一定重量的夯锤抬高至设计高度，随后使夯锤脱钩自由降落，利用夯锤的冲击能来夯实软土地基，以提高其强度与承载力。强夯法的加固机理是基于动力固结理论，即夯锤下降冲击杂填土，在土层中产生较强的应力波，使得土体原来的骨架结构破坏，空气和水分被压缩，加速土体的固结。同时，土颗粒间距减小，孔隙体积降低，形成新的土骨架结构。

1.4 水泥土搅拌桩加固

水泥在软土地基中搅拌形成复合地基，将原地基分成加固区和非加固区。水泥土搅拌桩可分为喷浆型和喷粉型两种，根據需求选取不同的施工方式。喷浆型搅拌桩施工较为简单，只需在软土地基中拌入一定配合比的水泥浆，将水泥浆搅拌均匀即可;而喷粉型搅拌桩施工过程中需要借助机械设备进行水泥粉体搅拌，之后通过压缩空气将水泥粉均匀喷洒进软土地基中，依靠机械钻头或者翼片的旋转将水泥粉和软土均匀混合，从而形成粉喷桩[4]。

水泥土搅拌桩加固软土地基的影响因素有：龄期、水泥的掺入比和标号;土样的种类、含水量、有机质含量;外加剂;养护方法。如下图2所示：

2 公路软土路基沉降计算理论

2.1 软土固结理论

在公路工程建设期间，软基变形计算可利用“分层总和法”，沉降变形可分为瞬时沉降（Sd）、主固结沉降（Sc）和次固结沉降（Ss）三个阶段，其中Sd是在加载瞬间（t=0）产生的，此时孔隙水压力难以排出，土颗粒骨架不承受有效应力，只有形状变形而不产生体积压缩，沉降变形与加载速率密切相关;Sc是软土软土地基沉降的主要组成部分。在荷载作用下，土体中超静孔隙水压力会随着固结时间的增加（0

2.2 土体屈服准则

路基土体计算采用Druker-Prager屈服准则，该模型在模拟路堤填土力学变形所需的参数容易测定，同时可以考虑填土的抗压强度，还能够弥补摩尔-库伦准则导数在节点处的不连续问题。D-P准则屈服时与破坏面函数是：

式中：、为屈服材料常数;—第一应力不变量;—第二偏应力不变量。—最大主应力;—中间主应力;—最小主应力。

3 公路软土路基沉降计算及加固效果评价

3.1 工程背景

本文拟利用有限元软件PLAXI8.0分析软土路基沉降变形规律及加固效果，研究对象为位于蕉岭县蕉城镇、新铺镇的国道G205线蕉岭县文福至新铺段改建工程，路线起点在蕉城镇樟坑天汕高速文福出口，终点在新铺大和亭与梅县交界处，全长约21.8公里。沿线部分路段存在淤泥、淤泥质土等软弱土层，厚度较大，天然状态下地基土承载力不能满足路基填筑要求，拟采用水泥搅拌桩进行处理。

3.2 软土路基有限元模型

3.2.1 计算参数选取

随着计算机技术进步，有限元法在公路软土路基计算中的应用日益广泛，故采用有限元软件PLAXI8.0来分析软土路基沉降变形规律及影响因素，计算断面选择桩号K2549+630。模型中路堤边坡最大高度为16 m，填料拟采用碎石土，分两级来填筑，每级填土高度是8 m，边坡从上至下坡比分别为1：1.5、1：1.75，平台宽2 m。地基土层分两层，分别为11 m淤泥、淤泥质土和基岩。拟采用水泥搅拌桩法处治，按梅花型布置，设计桩长12 m、桩间距1.5 m、桩直径0.6 m。为了提高计算的精确性，计算模型的物理力学参数必须经过多次重复试验，取其平均值，填料和地基土计算指标见表1：

3.2.2 网格划分及边界条件

相关分析成果表明，网格尺寸、网格数量对模型计算结果和计算效率影响较大。在综合考虑软土路基沉降精确度和计算机运行速度前提下，利用PLAXI8.0中的二维实体单位PLANE42对路基进行网格划分，网格尺寸选1.5 m，CFG加固区域内网格进行加密，网格尺寸选1 m，共划分出单元2 472个，节点3 088个。此外，水泥搅拌桩在施工期间，桩间土不仅与桩共同承担外荷载，还会受到桩侧摩阻力。但是水泥搅拌桩的刚度要远大于土体材料，不适合D-P屈服准则，可用线弹性计算模型。桩-土接触面采用罚函数模拟。

路基模型底部为不透水边界，并对其X方向、Y方向、Z方向完全约束;路堤顶部和边坡坡面为自由边界，可发生竖向压缩变形和水平位移;地基进行X方向约束，只产生竖向压缩变形[6]。

3.3 软土路基沉降计算结果

从道路中心线开始，每隔2 m布置一个沉降监测点，得出软土路基加固前后各监测点的竖向压缩变形结果如图3所示：

图3表明：公路软土路基中心点处总沉降变形最大，且距离路基中心越远，路基沉降量越小，但是减小速率基本呈先慢后快的趋势。软基未处治之前，路基最大沉降量为18.6 cm。路基在经水泥搅拌桩法处理后，各监测点的沉降量均出现一定程度降低，此时路基最大沉降量为5.6 cm，减小了69.8%。这表明软土地基在经水泥搅拌桩法加固后，其承载能力和整体稳定性有明显的提升，使得路基在相同荷载下产生的压缩沉降降低。

3.4 软土路基沉降影响因素

3.4.1 桩间距的影响

在其它计算参数不变的情况下，利用PLAXI8.0建立水泥搅拌桩间距分别为9 m、12 m、15 m、18 m、21 m的软土路基模型，得到了路堤处治后最大位移和最大应力随桩长的变化规律，见图4：

图4表明：软土路基最大沉降随着桩间距增加而不断增大趋势，且两者之间基本呈线性正相关关系。当水泥搅拌桩布置间距从1.5 m提高至3 m时，路基最大沉降增加了33.4%。同时，随着水泥搅拌桩布置间距的增加，路基最大应力也逐渐增加，但增加速率有变缓的趋势。即当桩间距小于2 m时，路基最大应力快速增加，反之，路基土应力变化不明显。因此，建议采用水泥搅拌桩技术处治软土路基时，桩间距不宜超过2 m。

3.4.2 桩间距的影响

在其它計算参数不变的情况下，利用PLAXI8.0建立水泥搅拌桩长度分别为1.5 m、2 m、2.5 m及3.0 m的软土路基模型，得到了路堤处治后最大位移和最大应力随桩间距的变化规律，见图5：

图5表明：随着桩长增加，路基最大沉降呈减小趋势，其中路堤竖直向最大位移均大于水平向最大位移。桩长从10 m增至12 m，路基沉降降低速率最快。当桩长超过18 m，继续增加对路基沉降改善效果不明显。而路基最大应力随着水泥搅拌桩长度的变化没有规律性，基本呈波浪形波动，波动范围在10 kPa之内。在综合考虑施工难度、施工成本、改良效果等因素后，建议水泥搅拌桩技术处治软土路基时桩长可取12 m～14 m之间。

3.4.3 填土压实度的影响

《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）要求填方路基压实度不得小于90%，故填土模拟压实度分别取0.90、0.92、0.94、0.96、0.98。在其它参数不变的情况下，得到了不同压实度下软土路基最大沉降量如图6所示：

图6表明：公路软土路基最大沉降量随填土压实度的提高而不断降低，当路基施工压实度从90%提高到98%，路基最大沉降从7.8 cm减小至6.2 cm，减少了20.5%。这是因为公路路基填土压实度增加，会提高填料抗剪强度和压缩模量，降低路基的可压缩性、提高其整体稳定性，使得路基沉降减小。同时，当提高填土压实度至某一临界值（96%）后，对软基沉降变形的降低效果并不明显。

4 结语

分析了软土路基的常见加固方法，并依托某公路项目，利用有限元软件得到了软土路基加固前后的沉降变形规律，主要得到以下几个方面的结论：

（1）软土具有承载力低、含水率高、流变性明显等特点，常见的处理方法有换填法、注浆加固、强夯法、水泥搅拌桩等;

（2）软基路基沉降变形随着加载时间的增加而不断增大，基本可分成瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三个阶段;

（3）软土地基在经水泥搅拌桩法加固后，各监测点的沉降量均出现一定程度降低，其承载能力和整体稳定性有明显的提升;

（4）随着桩间距减小、桩长增加、填土压实度提高，软土路基最大沉降呈不断减少的趋势。

但是目前公路路基加固处理方案仍比较保守，会造成一些资源浪费，下一步可以依托高校或科研机构，结合有关公路软基处治工程，对优化设计方案与处治效果的关系进行定量的评价。

参考文献：

[1]邹建洲.基于有限元的软土路基沉降影响因素分析[J].路基工程，2019（5）：145-148.

[2]吕高航.高速公路改扩建新旧路基差异沉降规律及加固技术研究[D].山东大学，2018.

[3]冯达，黄树亭，王阳，等.软土路基上沉降结构物的压浆加固处理技术[J].建筑技术开发，2014，41（12）：66-69.

[4]吴岭.软土路基加固效果及沉降变形数值模拟研究[D].长安大学，2013.

[5]赵坤.贵州西部部分路基软土特性与既有路基加固分析[D].贵州大学，2007.

[6]胡春林，王茂丽，李坤.基于沉降控制的软土路基粉喷桩加固设计方法探讨[J].岩土力学，2006（6）：969-972.